[发明专利]甲醇合成系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及化工合成技术领域，具体而言，涉及一种甲醇合成系统及方法。

背景技术

在化工生产过程中，常常因为合成反应器催化剂床层温度不均、反应温度过高、或过反应温度过低等反应器催化剂床层温度不易控制的因素导致副产物过多。

对于由加压下甲胺、甲醚、甲醇合成、氨合成和CO变换这类气固相放热催化反应，随着反应的进行，不断放出的反应热使催化剂床层温度提高。为了减少副产物和提高反应器的效率，需要把反应热移出以使反应温度处于一个合理的范围。在工业反应器中曾广为使用的一种是多段绝热反应，二段之间用原料气激冷来降低反应气温度，这种反应器因原料气激冷时在降低反应气温度的同时也降低了反应物浓度，影响了合成效率。另一种用于甲醇合成的Lurgi公司的列管式反应器，在壳体中有上下管板间的多根圆管，管中装有催化剂，原料气从上部进气口进入分布到各管中，在管内装触媒层中合成甲醇，管间侧面进水。反应管被管外沸腾水连续移出热量，产生蒸汽由侧面管出，反应气由底部出气管出塔，该塔温差小，但触媒装填系数小。

另一种DAVY公司开发的甲醇合成技术，其合成反应器结构示意图如图1所示，催化剂装填在反应器100’的壳侧，换热管130’内产生中压蒸汽。新鲜的合成气从反应器100’底部的中心管120’进入，中心管120’管壁上有分配孔以保证气体的分布均匀。气体沿径向从内到外通过反应器100’的催化剂床层110’。从汽包来的锅炉水进入反应器100’的底部然后向上流动并部分汽化带走甲醇合成反应所产生的反应热。反应温度通过换热管130’内蒸汽的压力来调节。该技术能将反应温度控制在一定范围内，且反应器100’生产能力的扩大可以通过加长反应器长度来实现，在甲醇合成设备大型化方面有其技术优势，目前逐渐被甲醇合成厂家广泛采用，但是本身还存在着一些不足。

现有DAVY技术合成流程示意图，如图1和图2所示，其中，反应系统包括反应器100’、汽包200’、第一合成回路中间换热器601’、第二合成回路中间换热器602’、水冷器300’、400’、合成气压缩机501’、循环气压缩机502’、第一甲醇分离器603’、第二甲醇分离器604’、甲醇闪蒸槽605’等，新鲜的合成气从反应器100’底部的中心管120’进入，中心管120’管壁上有分配孔以保证气体的分布均匀。气体沿径向从内到外通过反应器100’的催化剂床层110’。因为新鲜的合成气从反应器100’底部的中心管120’进入，所以较大比例合成气首先由反应器100’中下部中心管120’管壁上的分配孔沿径向从内到外进入到反应器100’中下部催化剂床层110’进行反应；沿着中心管120’越往上，合成气就越稀薄，也就是反应器100’下部催化剂床层110’相对于反应器100’上部催化剂床层110’而言就会有更多合成气参与反应，这样反应器100’下部催化剂的活性相对于反应器100’上部催化剂的活性将会下降得更快。这样，到了催化剂使用寿命的中后期时，进入反应器100’下部中心管120’管壁上分配孔的合成气中的大部分沿径向从内到外进入到反应器100’下部催化剂床层110’后往往还没有来得及进行化学反应就离开了催化剂床层110’，又因为在反应器100’下部进行反应的合成气比例比中上部的都大，即使合成气在反应器100’上部的活性较高的催化剂处的转化率还保持较高水平，但因为反应器100’上部的合成气量相对较小，使得总体上合成气反应生成甲醇的单程转化率将急速下降，使得甲醇产量也会随之下降；如果要保持甲醇产量，就需要加大未反应的合成气的循环量和循环次数，这无疑又增加了能耗。在催化剂使用寿命的中后期时，如果采用大幅提高催化剂床层110’温度的方法来提高催化剂的活性，一方面会使催化剂使用寿命更快下降，另一方面会产生更多的蜡（尤其在床层温度高于280℃以上时）。这样，往往本来能使用较长或更长时间的床层催化剂更换的时间大为提前，而在反应器100’上部还保持较高活性的催化剂也同反应器100’下部几乎无法使用的催化剂一同更换（一般使用过的甲醇合成催化剂更换时，整体反应器100’的催化剂都和空气接触，一旦在空气氛围内，尚有活性的催化剂也必将因快速中毒损坏而无法使用），在经济上造成了浪费。

现有DAVY技术中，甲醇合成塔为径向流反应器，在合成反应器的上部，热气体需向下折流后才能流出塔外，在塔内滞留时间较长，造成移出反应热的速率较催化剂床层其他位置的反应热移出速率要慢，使得反应器催化剂床层常常出现局部超温，尤其当床层温度高于280℃时，往往会产生大量的蜡，同时使得催化剂活性加快衰减，间接地造成催化剂的浪费。